Choisir le bon matériel pour coulée d'investissement Détermine la réussite ou l'échec de votre pièce. La différence entre l'acier inoxydable et l'aluminium ne réside pas seulement dans le poids : elle réside dans la capacité de votre pièce à supporter une chaleur de 1 000 °C, à résister à la corrosion par l'eau de mer ou à s'usiner facilement après moulage.
La fonderie à cire perdue fonctionne avec pratiquement tous les alliages métalliques, de l'acier au carbone abordable aux superalliages plus coûteux que l'argent. Chaque catégorie de matériau présente des atouts et des faiblesses spécifiques qui ont un impact direct sur les performances, les coûts de fabrication et la durée de vie.
Vous devez adapter les propriétés des matériaux aux exigences de votre application. Une aube de turbine à réaction nécessite des superalliages de nickel qui maintiennent leur résistance à des températures qui feraient fondre l'aluminium. Un implant médical exige la parfaite biocompatibilité du titane. Une turbine de pompe peut nécessiter la combinaison de résistance à la corrosion et de propriétés anti-grippage du bronze.
Les aciers inoxydables allient une résistance élevée à une exceptionnelle résistance à la corrosion, ce qui en fait le choix idéal pour les pièces soumises à des environnements difficiles. Tous les aciers inoxydables contiennent au moins 10.5 % de chrome, ce qui crée une couche d'oxyde protectrice empêchant la formation de rouille.
Ces alliages atteignent des résistances à la traction allant de 500 MPa pour les nuances austénitiques comme le 304 à plus de 1 300 MPa pour les nuances à durcissement par précipitation comme le 17-4 PH après traitement thermique. Le matériau conserve cette résistance même à des températures moyennement élevées, certaines nuances offrant de bonnes performances jusqu'à 800 °C.
La résistance à la corrosion provient de cette couche d'oxyde de chrome, qui se régénère automatiquement en cas de rayure ou de dommage. Ainsi, les pièces en acier inoxydable ne nécessitent souvent aucun revêtement protecteur, même en milieu marin ou chimique.
La ténacité de l'acier inoxydable varie selon la nuance. Les aciers inoxydables austénitiques (comme le 316) offrent une excellente ductilité et une excellente résistance aux chocs, tandis que les nuances martensitiques offrent une dureté plus élevée mais une flexibilité moindre.
Le principal compromis réside dans l'usinabilité. L'acier inoxydable durcit lors de la coupe, ce qui le rend plus difficile à usiner que l'acier au carbone et nécessite un outillage spécialisé.
Les aciers au carbone offrent une résistance élevée au coût le plus bas de tous les métaux de fonderie, avec des propriétés personnalisables par traitement thermique. Ces alliages fer-carbone contiennent de 0.1 % à 1.0 % de carbone, et les versions faiblement alliées ajoutent de faibles quantités de chrome, de molybdène ou de nickel.
Les pièces moulées en acier à teneur moyenne en carbone atteignent généralement une limite d'élasticité de 400 à 800 MPa après traitement thermique. La trempe et le revenu permettent d'augmenter encore la dureté, créant ainsi des surfaces résistantes à l'usure tout en préservant la solidité du noyau.
Ces aciers s'usinent facilement, notamment dans les nuances à faible teneur en carbone. Le matériau se coupe proprement, se perce bien et se soude facilement, ce qui simplifie et simplifie les opérations post-coulée.
Les aciers au carbone présentent d'excellentes propriétés de conductivité thermique et magnétique. Ils sont donc parfaits pour les composants de moteurs électriques et les applications où la dissipation thermique est importante.
La principale limitation est la corrosion. Sans revêtement protecteur, l'acier au carbone rouille rapidement lorsqu'il est exposé à l'humidité ou aux produits chimiques.
Les aciers à haute teneur en carbone peuvent également devenir cassants s'ils ne sont pas correctement trempés, risquant ainsi une défaillance catastrophique sous les charges d'impact.
Les alliages d'aluminium offrent le meilleur rapport résistance/poids parmi les métaux de fonderie courants, pesant seulement un tiers du poids de l'acier. Des alliages de fonderie populaires comme l'A356 associent l'aluminium au silicium et au magnésium pour atteindre des résistances à la traction de 150 à 300 MPa.
Son bas point de fusion de 660 °C rend l'aluminium plus facile à couler que les alliages ferreux. Il s'écoule facilement en sections minces et en géométries complexes, permettant des conceptions complexes impossibles à réaliser avec d'autres métaux.
L'aluminium résiste naturellement à la corrosion en formant une couche d'oxyde protectrice en quelques secondes après exposition à l'air. Cette propriété autoprotectrice rend le recours à un revêtement superflu dans la plupart des environnements.
Le matériau s'usine parfaitement. L'aluminium se coupe rapidement avec une usure minimale des outils, bien que sa forte teneur en silicium puisse être légèrement abrasive pour les outils de coupe.
Ses conductivités thermique et électrique sont exceptionnelles, ce qui fait de l'aluminium un matériau idéal pour les dissipateurs thermiques et les composants électriques. Ce matériau conserve également sa résistance à des températures cryogéniques et ne se fragilise jamais par temps froid.
Son principal point faible réside dans sa résistance aux températures élevées. L'aluminium perd rapidement sa résistance au-delà de 200 °C, ce qui le rend inadapté aux parties chaudes du moteur ou à d'autres applications soumises à des températures élevées.
Les superalliages de nickel conservent une résistance exceptionnelle à des températures où d'autres métaux fondraient ou se déformeraient, certaines nuances offrant une performance fiable à 1 000 °C. Des alliages courants comme l'Inconel 718 offrent une résistance à la traction de 700 MPa à température ambiante et conservent une résistance supérieure à 100 MPa à 700 °C.
Ces alliages résistent au fluage, c'est-à-dire à leur tendance à se déformer lentement sous des charges soutenues à haute température. Leur structure cristalline austénitique stable empêche le glissement des joints de grains, responsable de la rupture d'autres matériaux.
La résistance à l'oxydation et à la corrosion est exceptionnelle. Le chrome et l'aluminium présents dans l'alliage forment des couches d'oxyde protectrices qui protègent le métal de base des gaz chauds et des produits de combustion.
La densité des alliages de nickel (8.1-8.8 g/cm³) est comparable à celle de l'acier, ce qui les rend lourds. Mais lorsqu'il s'agit de résister à des températures extrêmes, rien ne leur arrive à la cheville.
Les alliages de nickel sont notoirement difficiles à usiner. Ils s'écrouissent instantanément lors de la coupe et détruisent rapidement les outils, d'où l'importance cruciale du moulage à la cire perdue pour une forme quasi-définitive.
Le matériau conserve une excellente résistance à la fatigue même après des milliers de cycles thermiques, ce qui le rend idéal pour les pièces qui chauffent et refroidissent de manière répétée.
Les alliages de cobalt excellent à conserver leur dureté et leur résistance à l'usure à haute température, certaines nuances conservant des propriétés utiles jusqu'à 900 °C. Les alliages stellites associent le cobalt au chrome et aux carbures pour créer des surfaces résistantes à l'abrasion, même à haute température.
Ces matériaux résistent mieux à la fatigue thermique que tout autre superalliage. Ils peuvent supporter des variations rapides de température sans se fissurer, une propriété qui les rend précieux pour les composants de turbines.
La résistance à la corrosion et à l'oxydation est souvent supérieure à celle des alliages de nickel, notamment dans les environnements contenant des composés soufrés. La couche protectrice d'oxyde de chrome reste stable même sous cycles thermiques.
Les alliages de cobalt ont généralement une densité de 8.4 à 9.0 g/cm³, similaire à celle des superalliages de nickel. Bien qu'ils soient légèrement moins résistants aux températures que les alliages de nickel de haute qualité, ils offrent une résistance supérieure aux chocs thermiques.
L'extrême dureté, qui assure une résistance à l'usure, rend également l'usinage quasiment impossible. La plupart des pièces en cobalt sont moulées à leur forme finale ou finies par meulage et usinage par électroérosion (EDM).
La biocompatibilité est une autre propriété clé. Les alliages cobalt-chrome-molybdène sont sûrs pour une implantation à long terme dans le corps humain, résistant à la corrosion due aux fluides corporels.
Les alliages de cuivre offrent une excellente résistance à la corrosion, combinée à des propriétés antimicrobiennes naturelles et à une conductivité thermique et électrique élevée. Les pièces moulées en bronze et en laiton atteignent des résistances à la traction allant de 200 à 300 MPa pour les nuances standard à plus de 1 000 MPa pour les alliages spéciaux comme le béryllium-cuivre.
Ces matériaux excellent en milieu marin. Le bronze de silicium et le bronze d'aluminium forment des films protecteurs qui préviennent la dégradation en eau de mer et durent des décennies sans entretien.
Le faible frottement et la résistance à l'usure du bronze en font un matériau idéal pour les applications de roulements. Il glisse parfaitement sur les surfaces en acier, minimisant ainsi le grippage.
Les alliages de cuivre s'usinent exceptionnellement bien, notamment le laiton de décolletage et le bronze au plomb. Ils produisent de petits copeaux et permettent des vitesses de coupe élevées avec une longue durée de vie.
La plage de points de fusion de 900 à 1050 °C rend le moulage simple, bien que ces alliages présentent un retrait de solidification important (environ 6 %) qui nécessite une conception minutieuse du moule.
La ductilité et la ténacité sont excellentes. Les alliages de cuivre se plient avant de se rompre et conservent leur ténacité même à des températures cryogéniques, contrairement aux aciers qui deviennent cassants.
Les alliages de titane offrent une résistance comparable à celle de l'acier pour un poids deux fois plus léger. Le Ti-6Al-4V atteint une résistance à la traction de 900 MPa pour une densité de seulement 4.5 g/cm³. Ce rapport résistance/poids exceptionnel rend le titane irremplaçable dans les applications aéronautiques.
Sa résistance à la corrosion rivalise avec celle du platine dans de nombreux environnements. Le titane forme un film d'oxyde incroyablement stable qui le rend quasiment inerte dans l'eau de mer, les chlorures et les fluides corporels.
Le matériau conserve de bonnes propriétés jusqu'à 400-500 °C, mais s'oxyde rapidement au-delà. Des alliages spéciaux permettent d'augmenter légèrement sa plage d'utilisation.
Le titane présente un faible module d'élasticité (110 GPa), environ la moitié de celui de l'acier. Cette flexibilité contribue à absorber les chocs, mais implique une déflexion plus importante sous charge.
Le point de fusion élevé de 1 668 °C et l'extrême réactivité du titane fondu rendent la coulée complexe. Elle nécessite des fours sous vide et des coques en céramique spéciales à base de zircone pour éviter toute contamination.
La biocompatibilité est parfaite : le titane ne provoque aucune réaction indésirable dans le corps humain et permet en fait à l’os de se développer directement sur sa surface, ce qui le rend idéal pour les implants permanents.
| Type d'ouvrage | Coût relatif (matériel) | Résistance à la corrosion | Force typique[^1] | Usinabilité (facilité) | Densité (g / cc) |
|---|---|---|---|---|---|
| Acier au carbone/faiblement allié | Faible | Faible – sujet à la rouille sans revêtement | Moyen – élevé (traitable thermiquement) | Moyen – facilement usiné et soudé | ~7.8 (lourd) |
| Acier Inoxydable | Haute (à cause du Ni/Cr) | Excellent – résiste à la corrosion et à l’oxydation | Résistance moyenne à bonne, certaines qualités sont élevées | Faible – plus difficile à usiner que l'acier ordinaire | ~7.7–8.0 (lourd) |
| Alliages d'aluminium | Moyenne | Moyen/Bon – forme un oxyde protecteur | Faible – modérée (force absolue inférieure) | Haute – très facile à usiner | ~2.7 (léger) |
| Alliages à base de nickel | Très élevé – éléments coûteux | Élevé – remarquable en termes de résistance à la chaleur et à la corrosion | Élevé à haute température (moy. à température ambiante) | Faible – très difficile à usiner | ~8.1–8.8 (lourd) |
| Alliages à base de cobalt | Très élevé – les superalliages les plus chers | Haute – excellente résistance à la corrosion et à l’usure | Moyen – très bon jusqu’à ~800 °C | Faible – extrêmement dur; moulé en forme de filet | ~8.4–8.8 (lourd) |
| Alliages à base de cuivre | Moyen – le cuivre a un coût modéré | Élevé – excellent en environnement marin/normal. | Faible – modéré (bronze < acier ; Be-Cu élevé) | Élevé – facile (en particulier laiton/bronze au plomb) | ~7.5–8.9 (lourd) |
| Alliages de titane | Très élevé – matériel et procédé coûteux | Élevé – presque inerte, de qualité biomédicale | Haute – résistance semblable à celle de l’acier à 40 % du poids | Faible – l’usinage et le moulage sont difficiles | ~4.5 (léger) |
